中央大道海河隧道关键施工技术 中央大道海河隧道关键施工技术
吴峰
(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津300459)
摘要：基于我国华北地区首座沉管隧道——天津市滨海新区中央大道海河隧道工程施工，针对沉管隧道岸壁保护、干坞结构、沉管预制与浮运沉放以及基础处理等重要部位施工，通过采用锁口钢管桩坞口止水帷幕、水下碎石摊铺与基础注浆、首次采用聚脲外包防水、边管廊压载水箱以及二次注浆孔设置等关键施工技术，保证了工程施工质量安全，为今后类似工程设计与施工积累了丰富经验。
关键词：沉管隧道；岸壁保护；轴线干坞；锁口钢管桩止水帷幕；聚脲防水；浮运沉放；水下碎石摊铺；水下注浆
收稿日期：-02-06
作者简介：吴峰(1978—)，男，工程师，主要从事隧道工程技术管理工作23490949@
DOI：10.13219/j.gjgyat..03.012
中图分类号：U459.5
文献标识码：B
文章编号：1672-3953()03-0039-05
Abstract:WiththeconstructionofthefirstimmersedtubetunnelatHaiheRiveroftheCentralAvenueintheBinhaiNewDistrictofTianjinasapracticalexample,keytechniquesadoptedfortheprotectionofthequaywallduringtheconstructionoftheimmersedtubetunnel,thedrydockstructure,theprefabrication,floatingandsinking-in-placeoftheimmersedtube,andotherimportantpartsoftheconstructionprocessarestudiedanddealtwithinthepaper.Withsomeimportanttechniquesadoptedfortheconstructionoftheproject,suchastheinter-lockedsteelpipepiledockentrance-sealingcurtain,underwatergravelpavingandfoundationgrouting,andthefirst-timeuseofwrappingtheimmersedtubetunnelwithpolyureawaterproofing,sidepipegalleryballasttanks,andprovidingholesforthesecondarygroutingholes,etc.,boththeconstructionqualityandsecurityoftheprojectarefullyensured.Thesuccessfulcompletionoftheprojectprovidesrichexperienceforthedesignandconstructionofothersimilarprojectsinthefuture.
1工程概况
中央大道海河隧道工程，位于天津市滨海新区塘沽内，为天津市重点工程之一。该工程全长4.2km，隧道长3.38km，其中穿越海河255m采用沉管法施工工艺，称为沉管水中段(见图1)，该沉管段分为“3+1”节段进行预制，长度分别为85m、85m、(80+5)m，采用“两孔三管廊”的双向六车道结构设计，设计时速60km/h，使用年限为100a。
图1隧道沉管水中段平面图
2工程关键与难点技术分析
2.1岸壁保护工程
(1)岸壁保护格构地连墙为国内最深结构，深度达52.5m，且穿越25m厚砂层施工，成槽施工难度大、易发生塌方事故。
(2)与之相连的坞口，距海河仅为6m左右，内侧即为26.5m深的沉管隧道陆地连接段深基坑，因此坞口具有稳定性与止水功能是关键，如何做到坞口不渗不漏是难点。
2.2轴线干坞结构
(1)轴线干坞为特大型超深临水基坑，位于滨海相软土地质上，使用时间长达2.5a，经历管段的预制、浮运与沉放施工，因此基坑的安全稳定很重要 [1]。
(2)在干坞内预制的“3+1”节管段单节重达3万t，管节混凝土预制裂缝宽度设计要求小于0.15mm，因此对坞底承载力要求高，且基坑临近海河，坞底以下为粉砂土、细砂层、砂层结构，属于高透水地质层，也因此实现坞底地下水顺畅循环以及管段安全起浮是难点。
2.3沉管管段结构
(1)工程投入使用环境为22m水下，因此防水性能要求非常高，如何使沉管在深水下做到不渗不漏是难题。
(2)沉管管段是个庞大的结构物，长85m，宽达36.6m，单节(85m)重约3万t，因此在沉放过程中，不易控制管段下沉姿态与速度，易造成管段姿态失衡发生倾覆。
2.4管段基础
(1)管段基础采用碎石与砂浆浆液相结合，碎石层基础在基槽浚挖好，管段浮运沉放前完成。碎石基础由于采用水下作业，如何保证其高程以及尺寸宽度是难点。
(2)为避免基础累积沉降超过设计允许范围值，或产生不均匀沉降，从而导致管段间柔性接头止水带发生开裂，以及部分由于基础的不均匀沉降，引起管段混凝土板、墙的裂缝，造成渗水现象，从而影响工程安全寿命，因此解决基础累积沉降量过大或发生不均匀性沉降，是目前工程基础处理施工难点之一。
(3)在深22m的水下进行注浆，具有不可视性以及复杂性，增加了注浆浆液的质量控制难度。加上注浆过程中如果注浆量过大，很容易造成管段过大抬升，管段接头止水带将会失效，发生透水事故。
3关键技术实施
3.1岸壁保护结构关键施工技术
沉管隧道岸壁保护格构主要作用起着护岸作用，是干坞、基槽浚挖等施工的重要保护性结构物，主要由格构地下连续墙与锁口钢管桩共同组成，沉管隧道陆地连接段两岸各为一个。
格构地下连续墙由数个单元格组成，深度从52.5m到18m，每单元格内地面以下3m处设1m厚钢筋混凝土板，浚挖标高处5m范围采用旋喷桩加固，浚挖边线部位采用搅拌桩加固，具体见图2。
图2岸壁保护剖面图(单位：m)
岸壁保护结构坞口，采用长52.5m，?1.19m的锁口钢管桩做围护结构，钢管桩分A、B、C三种型号，每根钢管桩重量为61t，钢管桩内灌注26.80m深的C20砼，以保证钢管桩抗剪能力，锁口钢管桩外侧进行止水帷幕设计，详见图3。
图3岸壁保护锁口钢管桩结构(单位：mm)
3.1.1穿越砂层超深格构地连墙施工技术
为保证超深地连墙成槽施工安全稳定，首先在岸壁保护格构内的阳角部位5m×5m范围内，采用水泥土搅拌桩加固，搅拌桩深度为10m。桩径为650mm，相互咬合200mm，桩底插入粉土层，然后进行成槽施工。采用具有超强纠偏能力的液压抓斗，同时辅以旋挖钻机先开挖导孔，采用“二钻一抓”或“三钻二抓”的成槽工艺。穿越砂层成槽时，采用优质膨润土拌制循环泥浆进行护壁，适当提高槽中泥浆比重，特殊情况时使之接近规范相应标准的上限值，即控制在1.0～1.15，清槽后测定槽底以上0.2～1.0m处的泥浆比重应小于1.15。控制槽段长度，控制在抓斗全部张开2倍的宽度之内为宜。
3.1.2锁口钢管桩与止水帷幕施工技术
采用经济、合理的锁口钢管桩坞口设计，避免采用混凝土沉箱式、钢板式坞门造价昂贵与工艺复杂的缺点。坞口采用锁口钢管桩，可以在厂内或现场预制加工而成，一次性完成安装施工，因此施工便捷，同时也降低了采用混凝土沉箱式坞口以及钢板插拔门反复开启以及抗渗漏风险。
锁口钢管桩采用液压成槽、吊装静压安放的方式。成槽由中间往两侧施工，锁口钢管桩全部安装到位后，进行桩内混凝土灌注，灌注桩顶标高为钢管桩切割面。
锁口钢管桩安装完成后，接下来进行止水帷幕施工。本工程止水帷幕分为3层：主要有泥浆固化、粉煤灰止水砂浆桩、三轴水泥搅拌桩。首先进行钢管桩锁口部位?50mm注浆管的预埋，用水泥浆固化。然后采用钻孔灌注桩的方法，进行粉煤灰砂浆桩施工，桩径为800mm，桩长为50m，桩间距为1.47m。最后进行外侧三轴水泥搅拌桩施工，桩径为?850mm@600mm，加固土体厚度为2.05m，加固挡墙长度为45m，桩长30m。具体止水帷幕结构如图4所示。
3.2轴线干坞结构关键施工技术
干坞是沉管隧道的一项重要临时工程，本工程干坞采用轴线设计，坞顶顶面长266.2m、宽209.4m，坞底底长157.8m、宽115m(图5)，开挖深度达13m。其规模按照一次制作3节管段的要求确定，坞内完成舾装、逐节出坞。工程内容主要包括：封闭止水帷幕防汛墙、干坞降水、干坞边坡、干坞排水系统、坞底。
图4锁口钢管桩止水帷幕结构大样图
图5干坞平面图
3.2.1边坡稳定性加固技术
干坞施工 [2，3]，采用封闭隔水帷幕与三级井点降水相结合的方案，进行干坞分层、分区开挖，结合钢筋混凝土护坡，并在坡脚打设毛竹抗滑，从而保证干坞边坡稳定。其中采用坡脚毛竹结合混凝土抗滑梁措施，施工更为经济、便捷，抗滑移效果好。
3.2.2坞底施工关键技术
干坞为沉管的预制场所，不仅担负起管段的预制功能，还应有利于沉管顺利起浮，保证管段的浮运安全。
坞底基础采用抛石与钢筋混凝土相结合的方式进行换填，并在坞底钢筋混凝土面层上设网格型滤水槽，既保证了干坞坞底的有效承载力，同时也减少管段预制过程中的不均匀沉降，还有利于管段顺利起浮，避免了采用传统木胶板起浮层造成管段起浮及脱模困难。保证了后续沉管管节预制质量以及管段的顺利起浮 [3]。
3.3沉管预制与浮运沉放关键施工技术
沉管管段全长255m，分成“3+1”节预制，管段断面为“二孔三管廊”矩形箱式结构，断面尺寸为36.6m×9.65m，底板厚1.4m，外侧墙厚1.0m，中隔墙厚0.6m，顶板厚1.35m。
3.3.1管段预制关键施工技术
管段进行纵向分段预制 [4]，竖向分层施工，纵向分为5小段，设4个后浇带，长度1.5m。管段宽度为36.6m，高度为9.65m，竖直方向分底层和顶层二次混凝土浇筑。第1次浇筑高度3.9m [5]，其中底板厚1.4m，侧墙倒角高0.50m。第2次管段浇筑高度5.75m，侧墙倒角高0.50m，顶板厚1.35m，行车道内模二次施工模板高度为4.35m。
管段模板 [6]，外侧墙采用钢模板，模板采用大块钢模，钢模面板为δ=6mm钢板，加劲楞为[100，间距为50cm，标准块模板宽度为2.25m。第1次浇筑部分模板高度为4m，第2次浇筑部分模板为3m和2.65m。内侧墙及中隔墙模采用木胶板，木胶板厚度为18mm，模板次楞采用100mm×100mm方木，间距为300mm。具体结构如图6所示。
图6管段模板体系图
3.3.2管段外包防水关键施工技术
管段外包防水 [7]：底板外包防水钢板，并沿侧墙上返2.4m；管段顶板、侧墙喷聚脲防水涂料，涂料厚度为1.5mm，与底板所设钢板防水在侧墙搭接，搭接长度为200mm。具体如图7所示。
图7管段外包防水结构
3.3.3管段浮运沉放关键施工技术
管段预制完成并舾装，在坞内检漏试验后，进行管段的浮运与沉放施工。沉管浮运采用锚块系泊、岸控牵引方式。管段沉放对接采用吊驳辅助，压载水箱压水克服浮力，逐渐分三阶段下沉。
管段浮运 [8]。采用6点系泊控制管段移动，南北岸4台牵引设备控制管段沿轴线方向前移，两侧固定船只对沉管进行系缆，控制沉管横向偏移。
管段沉放，通过控制2个吊驳上4台卷扬机控制系缆下放高度，并通过锚定系统调整管段平面位置，逐渐下沉过程中，通过跟踪测量，对管段平面位置、管段姿态进行实时监测。
3.4沉管基础处理关键施工技术
管段基础，采用厚60cm碎石层与40cm厚的注浆浆液层组成(图8)，其中碎石基础施工，在基槽浚挖后采用碎石摊铺船进行摊铺，注浆液基础在完成管段沉放对接后进行管内注浆。
图8隧道基础注浆管布置平面图
3.4.1碎石基础施工关键技术
基槽浚挖完成后进行测量，碎石铺设采用吊船配漏斗放入、水下刮平的工艺。即采用在船舶上安装碎石摊铺装置，采用挖掘机将碎石放入漏斗内，碎石整平过程随时进行测量监控，严格控制碎石层的标高与平整度要求。
碎石摊铺船由船体与碎石摊铺装置组成，摊铺装置船体上面部位为两个落石漏斗、一个漏斗支架以及直径为?400mm下料钢管，水下部位由14m整平架组成。主要通过往“抛石整平船”的漏斗支架添加碎石，通过下料管；将两套落石漏斗安装在两个漏斗支架上，穿引好提升钢丝绳和漏斗移位钢丝绳进行碎石摊铺移动。
3.4.2注浆基础施工关键技术
注浆基础为40cm厚钠基膨润土砂浆 [9]。一次注浆孔设置在管段行车管廊内，二次注浆孔设置在沉管管段的边管廊与中管廊内。一次注浆管孔径为152mm，二次注浆管径为76mm，注浆孔布置呈梅花交错形。
注浆基础处理施工主要包括管段预制阶段、管段沉放阶段、管段沉放完成等三个阶段。管段预制阶段主要完成注浆管的预埋，管段沉放阶段主要完成碎石的初步锁定与水囊袋的安装。
管段沉放对接完毕后，进行基础注浆，采用管内注浆法，使用泵车、泵管以及压力表等设备仪器完成浆液的注浆工作。注浆过程中，为了保证管段安全与基础质量，采用控制垂直支撑千斤顶、压力表、浆液量等读数来保证，以及采用测量管段高程和采用动态监测冲击映像法来综合评价单孔浆液量是否注满。
注浆基础施工完毕后，如果没达到设计要求密实度，需进行二次补充注浆，二次注浆孔为?27mm带有D76mm法兰的注浆管，也是通过注浆管的球阀紧密连接。二次注浆孔分布在管段的中管廊与边管廊里面。
4施工效果
4.1岸壁保护结构
通过采用异型槽段成槽施工、穿越砂层的成槽施工、锁口钢管桩与止水帷幕施工等关键技术研究与应用，有效地解决了国内最深52.5m格构式地下连续墙的施工难题，并通过后续干坞、27m深小基坑、隧道基槽浚挖施工验证，采用该成果技术，有效地保证了沉管隧道岸壁保护结构施工质量安全。同时第三方监测数据表明，该成果使用期间墙体累计沉降量为16mm，格构区域整体垂直位移较小，水平位移小于3mm/d，符合设计与规范要求。
4.2轴线干坞结构
干坞完成后，经历管段预制及后期管段舾装、检漏等工序验证，经历了2.5a时间应用，多个雨季、冬季的严峻考验，实践证明采用该成果技术，保证了管段预制质量，完成了管段顺利起浮与沉放等工作。监测报告数据表明，在开挖期间，地面沉降和侧移值为1.5～2.3mm/d，小于设计值3mm/d；坑外水位变化最大控制在0.5m以内；干坞投入使用期间，边坡及其平台变形量、坑外地表剖面变形量、坑外土体侧向位移变形量均未超过设计报警值。
4.3管段预制与浮运沉放
通过采用管段纵向分段、竖向分层预制工艺，以及首次采用聚脲外包防水，设置边管廊压载水箱和三角锚定式按控法浮运沉放等技术，完成了沉管水下沉放对接，确保了水下结构物耐久性，做到了真正意义上的不渗不漏，同时也为工程日后运行的安全质量奠定了坚实基础。管段预制期间，无贯穿裂缝发生，沉放对接完成后，管段里程偏差最大值为+2mm，轴线方向偏差最大值为-8mm，垂直高程偏差最大值为+5mm，远小于设计纵向设计允许偏差值
4.4管段基础处理
通过采用碎石水下摊铺技术、深水下基础注浆技术、二次注浆孔设置、冲击映像法等技术，经后续隧道回填、压载水箱拆除、压仓混凝土浇筑等阶段验证，以及监测报告数据表明，基础累积沉降1.4cm、小于设计值10cm沉降范围，基础密实度达96%以上，符合设计及相关规范要求。
参考文献
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KeyConstructionTechniquesfortheHaiheRiverTunneloftheCentralAvenue
WuFeng
(TheFifthEngineeringCo.Ltd.ofthe18thBureauGroupofChinaRailway,Tianjin300459,China)
Keywords:immersedtubetunnel;protectionofthequaywall;axialdrydock;water-stoppingcurtainofmouth-lockedsteeltubepiles;polyureawaterproofing;float-transportandsinkinplace;underwatermacadampaving;underwaterslip-casting
